Bienvenidos al CERN. El Laboratorio Europeo de Física de Partículas

Transcripción

1 Bienvenidos al CERN El Laboratorio Europeo de Física de Partículas

2 2 José Salicio CERN/Departamento de física El laboratorio europeo de física de partículas La física de partículas, también conocida como física de altas energías y como física subnuclear, intenta conocer el origen de la materia, su estructura mas profunda y los lazos que la mantienen unida.

3 3 José Salicio CERN/Departamento de física La primera propuesta (De Broglie, 1949) Nacimiento del CERN: La primera propuesta (De Broglie, 1949)...un laboratorio o institución donde sería posible llevar a cabo trabajos científicos pero, de alguna forma, mas allá del marco de las diferentes naciones participantes. esta entidad podría esta dotada con mas recursos que los laboratorios nacionales y podría, por tanto, emprender tareas...mas allá de su ámbito... La colaboración podría ser mas fácil debido a la naturaleza verdadera de la ciencia Este tipo de cooperación serviría también otras disciplinas

4 4 José Salicio CERN/Departamento de física CERN Ciudad del Conocimiento 2 laboratorios (Meyrin & Prevessin) con varios servicios: 3 restaurantes, 3 hoteles, 2 oficinas de correos, 2 bancos, servicio medico, etc. Meyrin

5 5 José Salicio CERN/Departamento de física Introducción al CERN Misiones Estructura y números La física de partículas Facilidades experimentales (aceleradores) Los experimentos (detectores) ID (aceleradores, detectores, computación) Educación y entrenamiento España en el CERN

6 6 José Salicio CERN/Departamento de física CERN uniendo pueblos Investigación Las Misiones del CERN Empujar las fronteras del conocimiento Ej.: los secretos del Big Bang como era la materia durante los primeros momentos de existencia del Universo? Desarrollar nuevas tecnologías en aceleradores y detectores CERN Tecnología de la Información la Web y la GRID Medicina diagnosis y terapia uniendo pueblos Entrenar los científicos e ingenieros del mañana Investigación Unir gentes de países y culturas diferentes

7 El CERN se fundó en 1954: 12 Naciones Europeas Actualmente: 20 Naciones Europeas son miembros de pleno derecho ~ 2300 titulares ~ 1000 otro personal pagado > utilizadores Presupuesto (2013) ~ 1000 MCHF 20 Estados Europeos miembros de pleno derecho: Austria, Alemania, Bélgica, Bulgaria, Republica Checa, Dinamarca, Finlandia, Francia, Grecia, Hungría, Italia, Holanda, Noruega, Polonia, Portugal, Eslovaquia, España, Suecia, Suiza y el Reino Unido. Candidato a miembro de pleno derecho: Rumania Estados Asociados candidatos a miembro de pleno derecho: Israel, Serbia Nuevas solicitudes: Brasil, Chipre, Eslovenia, Pakistán, Rusia, Turquía, Ucrania Observadores en el Consejo: India, Japón, la Federación Rusa, los Estados Unidos de América, Turquía, la Comisión Europea y UNESCO 7 7

8 La Ciencia deviene cada vez mas global

9 Estructura orgánica Órganos políticos Consejo del CERN Comité de Política Científica Comité de Finanzas Comités científicos SPSC INTC LHCC Comisión de Investigación (RB) Secretariado del Consejo Oficina de Proyectos EU Servicio Legal Traducción y Minutas Director de Administración e Infraestructura General Sigurd Lettow Planificación y Control de recursos DirectorGeneral RolfDieter HEUER Director de Investigación y Computación Científica Sergio Bertolucci Colaboraciones de Investigación Relaciones Internacionales Comunicación Relaciones con Estados Anfitriones Auditores Internos Transferencia de tecnología y conocimiento Comisión de Seguridad Servicio VIP Director de Aceleradores y Tecnología Steve Myers Oficina de Proyectos Finanzas y Compras (FP) T. Lagrange Infraestructura General Y Servicios (GS) L. Miralles Recursos Humanos (HR) A.S. Catherin Tecnologías de la Información F. Hemmer Física (PH) P. Bloch Haces (BE) P. Collier Ingeniería (EN) R. Saban Tecnología (TE) F. Bordry

10 Distribución de la edad de los Científicos y donde van después Datos de marzo Actualmente: 2500 estudiantes de doctorado en los experimentos del LHC 65 No todos se quedan: donde van?

11 Austria and CERN / January José Salicio CERN/Departamento de física julio 2011 Próximo desafío científico: entender los primeros instantes de nuestro universo después del Big Bang Big Bang 13.7 Billones de años cm Hoy

12 Big Bang Protón Átomo Radio de la Tierra Tierra al Sol Radio de las Galaxias LHC Universo SúperMicroscopio Estudiar las leyes físicas de los primeros momentos después del Big Bang incrementando la Simbiosis entre Física de Partículas, Astrofísica y Cosmología AMS 12 José Salicio CERN/Departamento de física Hubble VLT ALMA

13 13 José Salicio CERN/Departamento de física Progreso en nuestro conocimiento de la materia Quarks Protón Núcleo u u d Neutrón Electrón Átomo Molécula Desde los átomos a los quarks Los hadrones están hechos de quarks, e.g. p = uud L 0 = uds Bariones L 0 b = udb p = ud Y = cc Mesones U = bb Los leptones son partículas fundamentales, e.g. electrón, muón, tau neutrinos Materia

14 14 José Salicio CERN/Departamento de física Progreso en nuestro conocimiento de la materia Quarks u u d Protón Núcleo Neutrón Electrón De hecho, el proton esta formado con 3 quarks de valencia (uud) y con un mar de gluones y parejas quarkantiquark de vida corta Átomo Molécula El protón no se construye solo con tres quarks (uud) Materia

15 15 José Salicio CERN/Departamento de física Los constituyentes de la materia m Quarks u u d Partículas y Campos elementales Ingredientes del Modelo Estándar m PS Protón partículas materiales partículas gauge Neutrón m Núcleo Electrón Átomo m Molécula 10 9 m 10 9 m Partícula(s) escalar(es) Materia

16 16 José Salicio CERN/Departamento de física Sin embargo Cuando observamos objetos estelares e intentamos medir su masa, nos encontramos con que las partículas del modelo estándar no son suficientes para explicar las observaciones. Por ejemplo: observando la velocidad de rotación de objetos dentro de una galaxia en función de su distancia al centro R vemos que esta no coincide con la masa visible. Para R pequeño v ~ R (disco sólido) Para R grande v = constante, que significa que M crece ~ R Materia Oscura (Kepler: v ~ 1/R 1/2 ) R Mas evidencias de otras observaciones del fondo cósmico de microondas (CMB) Se necesita mucha mas materia!! Materia Oscura (Dark Matter)

17 De que esta hecho nuestro universo?? el oscuro misterio de la materia permanece Partículas elementales 0.1% Materiales (leptones y quarks) Gauge (g, Z, W, gluones) Partículas Compuestas (hadrones) 4% Bariones (protones, neutrones, ) Mesones (piones, kaones, ) Mecanismo higgs del SM Ruptura de la simetría chiral QCD Materia oscura 23% partículas desconocidas Energía oscura 73% energía del vacío origen desconocido No sabemos el como ni el porque del ~ 5% del SM Ni tan siquiera sabemos el que del otro 95% 17 José Salicio CERN/Departamento de física

18 No sabemos todo! El estudio de los datos del LHC nos permitirá responder alguna de las preguntas fundamentales... Entenderemos el estado primordial de la materia después del Big Bang y antes de que protones y neutrones se formasen? Hemos encontrado la partícula Higgs responsable de dar masa a todas las partículas? Encontraremos la razón por la cual antimateria y materia no se destruyeron completamente una con otra? Encontraremos la(s) partícula(s) que forman la misteriosa materia oscura de nuestro Universo? 18 José Salicio CERN/Departamento de física

19 CERN Laboratorio Europeo de Física de Partículas 19 José Salicio CERN/Departamento de física El laboratorio de Meyrin esta ubicado en la frontera entre Suiza y Francia El gran colisionador de hadrones (LHC) del CERN: Lo imposible que devino realidad

20 20 José Salicio CERN/Departamento de física Elementos de un colisionador circular Producción de las partículas del haz Sistema de inyección y cámaras de vacío Definición/Mantenimiento de las orbitas Óptica del haz Sistema de aceleración y compensación Puntos de interacción y detectores

21 Las herramientas de la física de partículas 21 José Salicio CERN/Departamento de física Cavidades Superconductoras 1232 criodipolos de 15 m Criodipolos

22 22 José Salicio CERN/Departamento de física Producción de partículas (protones): fuente duoplasmatron Los protones se producen por la ionización del plasma de H 2 potenciada con un haz de electrones. H 2 Ánodo Cámara de expansión Hacia el LINAC Cátodo Cámara del plasma Los protones salientes por la apertura de ~ 1 mm 2 de la fuente tienen una velocidad del 1,4% de la velocidad de la luz, i.e., ~ 4000 km/s El SPACE SHUTTLE viaja a una velocidad de solo 8 km/s

23 23 José Salicio CERN/Departamento de física Esquema de los sistemas de inyección y aceleración V = c 450 GeV/c 7 TeV/c GeV/c 50 MeV/c 1.4 GeV/c V = 0.87c GeV/c

24 24 José Salicio CERN/Departamento de física Definición y mantenimiento de orbitas Diseño y mantenimiento de las órbitas Imanes dipolares r = 1 / r = e B / p 1232 Criodipolos

25 Interconexión de criodipolos en el túnel del LHC 25 José Salicio CERN/Departamento de física

26 26 José Salicio CERN/Departamento de física Óptica del haz Imanes cuadrupolares (lentes magnéticas) y x Los cuadrupolos focalizan en una coordenada (x) y desfocalizan en la otra (y) Normalmente están organizados por parejas donde los elementos están girados 90 grados entre ellos Los paquetes de partículas que pasan a través de ellos reducen sus dimensiones transversales pero aumentan su dimensión longitudinal.

27 27 José Salicio CERN/Departamento de física Vista del túnel del LHC mirando hacia el punto de interacción 27 km de circunferencia 100 m bajo tierra

28 28 José Salicio CERN/Departamento de física Cavidades aceleradoras Las partículas adquieren energía en las cavidades aceleradoras en cada ciclo de la radiofrecuencia que las alimenta. Los paquetes de partículas se hacen más compactos: las partículas del paquete retrasadas se aceleran más mientras que las adelantadas se aceleran menos. Las pérdidas energéticas por radiación sincrotón se compensan en las cavidades de aceleración.

29 Vista del túnel del LHC mirando hacia atrás 29 José Salicio CERN/Departamento de física

30 Los Experimentos 30 José Salicio CERN/Departamento de física

31 Los experimentos Tipos de experimentos Blanco fijo Colisionadores Simétricos Asimétricos Los detectores y la detección de partículas Medida de trayectorias Medida de energía El programa científico del CERN Las colaboraciones 31 José Salicio CERN/Departamento de física

32 32 José Salicio CERN/Departamento de física Tipos de experimentos Blanco fijo Colisionadores circulares

33 33 José Salicio CERN/Departamento de física Un experimento típico (CMS) IMAN SUPERCONDUCTOR CALORIMETROS ECAL Cristales centelladores HCAL de PbWO4 Plásticos centelladores intercalados con bronce Yugo de hierro TRACKER Silicon Microstrips Pixels Peso total : 12,500 t Diámetro total : 15 m Longitud total : 21.6 m Campo magnético : 4 Tesla 3 g/cm 3 Detector de MUONES (Barril) Cámaras de tubos de deriva Cámaras de placas resistivas Tapas laterales de MUONES Cámaras de strips catódicos Cámaras de placas resistivas

34 Anatomía de un Detector (Detección de partículas Medida de trayectorias y energía) Curvatura ~ BL 2 /p se necesitan grandes imanes y B alto (SC); medida de la posición de gran precisión ( ) para p grande; también medidas de posición y energía a través de la absorción total (fotón, electrón, hadrón) 34 José Salicio CERN/Departamento de física

35 El programa científico del CERN Deacelerador de antiprotones ATRAP (Cold Antihydrogen for Precise Laser Spectroscopy ) AEGIS (Antihydrogen Experiment Gravity Interferometry Spectroscopy) ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus) Neutrinos Gran Sasso (Opera, Icarus) PS y SPS CLOUD (A Study of the Link between Cosmic Rays and Clouds with a Cloud Chamber) ntof DIRAC (Lifetime Measurements of pi pi and pi K Atoms to Test LowEnergy QCD Predictions) COMPASS (COmmon Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy) NA62 (Proposal to Measure the Rare Decay K > pi nu nu at the Cern SPS) Experimentos sin acelerador CAST Los experimentos del LHC 35 José Salicio CERN/Departamento de física

36 36 José Salicio CERN/Departamento de física Colaboraciones internacionales y experimentos Los experimentos de física de partículas del CERN se realizan a través de colaboraciones internacionales El interés científico de cada experimento ha tenido que ser estudiado y recomendado por el correspondiente comité científico (SPSC, INTC o LHCC). La Comisión de Investigación (RB) analiza las recomendaciones del comité científico correspondiente y aprueba o no el experimento y los recursos necesarios Cada instituto se responsabiliza a través de la firma de un Memorandum of Understanding (MoU) de la construcción de un subdetector, de alguna parte del dispositivo experimental y/o del análisis de los datos

37 37 José Salicio CERN/Departamento de física Los 4 experimentos del LHC El LHC (Large Hadron Collider/Gran colisionador de hadrones) es el instrumento mas poderoso jamás construido para investigar las propiedades de las partículas. Cuatro gigantescas cavernas subterráneas albergan inmensos detectores Energía mayor que ningún otro acelerador en el mundo Los haces mas intensos de partículas colisionantes Opera a una temperatura mas fría que la del espacio exterior

38 38 José Salicio CERN/Departamento de física Los 4 experimentos del LHC ATLAS CMS LHCb

39 39 José Salicio CERN/Departamento de física Los experimentos del LHC Detectores complejos y de altas prestaciones Periodos de ID y de construcción grandes (mas de 20 años) Instalación compleja y delicada. Grandes Colaboraciones. CMS: involucra ~ 3000 científicos e ingenieros de 183 instituciones de 38 países. Se requieren estructuras complejas de gestión (Portavoz, Coordinadores, GLIMOS, Comité de gestión de la colaboración, ) Gastos de mantenimiento y de operación relativamente elevados.

40 B40, ATLAS y CMS ATLAS ATLAS: Diámetro 25m Largo del toroide 26m Largo total 46m Peso 7000 toneladas 10 8 Canales electrónicos CMS: Diámetro total 15m Largo total 21.6m Peso toneladas Campo magnético 4 Tesla CMS 40 José Salicio CERN/Departamento de física

41 Que ocurre en las colisiones protónprotón? El proceso básico Protón 2 p 2 F b (X 2,Q 2 ) g b g a Ŝ d Jet c Jet Protón 1 p 1 F a (X 1,Q 2 ) N ev L int

42 El análisis de los datos (Rompecabezas) Ejemplo: buscamos un suceso Higgs que se desintegra a través de 2 Z 0 en 4 muones p Z H Z p Vista sobre el plano perpendicular a la línea del haz del inner tracking de CMS, con un suceso H 4 superpuesto. Los tienen energía muy alta de manera que dejan trayectorias casi rectas que se originan en el centro y viajan hacia el exterior. Hay que encontrar 4 trayectorias rectas 42 José Salicio CERN/Departamento de física

43 43 José Salicio CERN/Departamento de física Solución del rompecabezas Eliminar todas aquellas trayectorias con momento transverso menor que 2 GeV ( p T >2 GeV) P( ) P T ( ) P L ( )

44 Protón 2 p 2 Protón 1 p 1 La toma de datos del 2011, 2012, 2013 F b (X 2,Q 2 ) b g F a (X 1,Q 2 ) a g H Ŝ 4 muones energéticos en el estado final d W/Z c W/Z (nb) E CM (TeV) LHC Sucesos/sec para L = cm 2 s 1 m 4μ =201 GeV CMS Prestaciones excelentes del LHC, experimentos y la computación GRID durante los periodos 2010, 2011, 2012 y 2013 de toma de datos Run en el 2012: aumento de energía (7 TeV 8 TeV), un factor 3 mas de datos esperados del LHC Datos suficientes para anunciar Higgslike

45 4 Julio 2012: Experimentos del CERN observan una partícula consistente con el deseado bosón de Higgs

46 Notas de un año notable 2012

47 CERN: Física de partículas e innovación Interface entre ciencia fundamental y clave desarrollos tecnológicos CERN Tecnologías e Innovación Aceleración de haces de partículas Detección de partículas Computación a Gran Escala

48 Aplicación medica como ejemplo del spinoff en física de partículas Combinando física, ICT, biología y medicina para combatir cáncer Terapia con hadrones Acelerando haces de partículas Protones Iones ligeros Blanco: Tumor RayosX protones > pacientes tratados en el mundo (30 facilidades) > pacientes tratados en Europa (9 facilidades) Liderazgo en terapia con haces de iones en Europa y Japón Imaginería PET Scanner Ensayo clínico en Portugal del nuevo sistema de imaginería para pechos (ClearPEM) Detectando partículas

49 Tecnología e innovación Los detectores desarrollados en los laboratorios de física se utilizan en imaginería medica Tomografía por emisión de positrones Hospital cantonal de Ginebra PET (Positron Emission Tomography) es una técnica muy importante para localizar y estudiar ciertos tipos de cáncer utilizando el isótopo Fluor18 producido en aceleradores de partículas. El PET utiliza antimateria (positrones, la antipartícula del electrón).

50 El GRID: una solución para satisfacer las necesidades de computación del CERN La GRID de computación para el LHC (WLCG) fue un proyecto financiado por la Unión Europea. El objetivo era construir la próxima generación de infraestructura de computación que fuese capaz de proveer análisis y cálculos intensivos de los datos provenientes de los experimentos LHC. Estrategia: Integrar miles de ordenadores situados en los muchos institutos que participan a nivel mundial en los recursos globales de computación Basarse en el software desarrollado o siendo desarrollado en proyectos avanzados de tecnología grid en Europa y en USA

51 World LHC Computing Grid (WLCG) (Grid de computación para el LHC) Como funciona? La Grid se basa en una capa de software avanzado, denominada middleware, que asegura comunicación ininterrumpida entre los diferentes ordenadores en las diferentes partes del mundo La máquina de búsqueda de la Grid no solamente encuentra los datos que necesita el científico sino que además provee las técnicas de procesado de datos y la capacidad de cálculo para ejecutarlas Distribuye las tareas de computación a cualquier sitio en el mundo donde existan recursos de calculo sin utilizar, y devuelve el resultado al científico

52 La Grid Mundial para la Computación LHC Tier0 (CERN): registro de datos, reconstrucción y distribución Tier1: almacenamiento permanente, reprocesado, análisis Tier2: Simulación, análisis del utilizador final Aproximadamente 160 sitios, en 35 países ~ cores 173 PB de almacenamiento > 2 millones Jobs/día 10 Gb links WLCG: Una colaboración Internacional para distribuir y analizar los datos del LHC Integra centros de calculo en todo el mundo que suministran recursos de almacenamiento y de calculo en una infraestructura simple accesible a todos los físicos del LHC

53 Educación y entrenamiento de los científicos e ingenieros del mañana Desde talleres minieinstein para edades de cinco a seis años hasta escuelas profesionales de física, aceleradores e informática, el CERN tiene un papel importante en la creación de entusiasmo por la ciencia y en la provisión de entrenamiento formal

54 Educación y entrenamiento Estudiantes de verano (SS) Ingeniería, IT y física aplicada Clases especializadas, trabajos prácticos y visitas 813 semanas durante el verano 129 SS de MS, ES: 10 Estudiantes técnicos (TS) Ingeniería, IT y física aplicada Proyecto fin de carrera, periodo obligatorio de practicas 5 12 meses 171 TS, ES: 13 Estudiantes de doctorado (DS) Ingeniería, IT y física aplicada Clases especializadas & tesis doctorales meses 174 DS, ES: 12 Programa de entrenamiento para diplomados en ingeniería Ingeniería, IT & disciplinas relacionadas Diplomados recientes con el nivel de licenciado o ingeniero 23 años Becarios Becas Senior : candidatos con doctorado Becas Junior : Bsc / Msc Investigación en física experimental o teórica Ciencias aplicadas, computación e ingeniería 23 años 475 becarios, ES: 68 Becas MarieCurie (MC) de la CE Early Stage Training (EST) Dependen de los proyectos o áreas de investigación 236 meses 72 becarios MC, ES: 7 Mas detalles en : Estadística actual: números en rojo

55 Actividades educativas del CERN Científicos en el CERN Programa de enseñanza académica NEW: AsiaEuropePacific School of HighEnergy Physics Fukuoka, Oct 2012 Latin American School Arequipa, Peru March 2013 Jóvenes investigadores Escuelas de física de altas energías Escuela de computación Escuelas de aceleradores Escuela de física del CERN Hungría, Junio 2013 Estudiantes de física Programa de estudiantes de verano Escuelas para profesores de EM Programas nacionales e Internacionales

56 Estudiantes de verano 2012

57 Estudiantes de Verano 2012

58 Programa para profesores de EM

59 España en el CERN Galicia Cantabria Aragón Cataluña Madrid Extremadura Valencia Andalucía ALICE (CIEMAT, USC) ATLAS (UAB, CNM, UV, UAM) CMS (UAM, CIEMAT, UO, UC) LHCb (UB, USC) Staff 124 Fellows 75 PJAS 38 TECH 13 DOCT 12 Users 384

60 Ciudad del Conocimiento que, basada en su misión principal: encontrar respuestas a las preguntas fundamentales sobre el universo, nos lleva a desarrollar tecnologías mas allá de los limites actuales en los campos de aceleradores y de detectores, crea un entorno adecuado para la formación de los científicos e ingenieros del mañana mediante el trabajo cotidiano y a través de nuestros programas de educación y une las naciones a través de la ciencia. Promovemos HEP y ayudamos a los países interesados en esta rama de la física. 60 José Salicio CERN/Departamento de física

61 Gracias 61 José Salicio CERN/Departamento de física

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63 Algunos datos de la Grid Astronomía & Astrofísica Protección civil Química computacional Comp. Fluido dinámica Ciencia de computación/herramientas Física del estado sólido Geología Finanzas Fusión Física de altas energías (WLCG) Humanidades Ciencias de la vida Ciencias Sociales 285 sitios in 48 países ~250k núcleos de CPU ~100 PB almacenamiento Gran numero de usuarios 1M programas/día EGEEIII INFSORI222667